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E. TECHNIQUES DES CONTROLES NON DESTRUCTIFS

1. Dfauts externes

En dehors de l'examen visuel ou d'une recherche des dfauts l'aide d'une loupe, nousdisposons d'autres mthodes simples et efficaces, comme celle des liquides pntrants (essaide ressuage) ou le contrle magntique (magntoscopie).

1.1 Essai de ressuage

Cet essai permet de dceler les dfauts qui apparaissent la surface. Il est appliqu dans le casdes matriaux non magntiques (alliages base d'Al, de Cu, de Ti, aciers inoxydables, etc.).Son mode d'emploi est trs simple. La pice examiner est badigeonne de ptrole lger,color ou contenant une poudre fluorescente. Au lieu du ptrole lger tout autre liquidepntrant, c.--d. de faible tension superficielle, peut aussi rendre le mme service. Aprspntration capillaire, la surface est essuye. Pour le cas d'un liquide fluorescent la rsurgencedu liquide partir des fissures et des porosits est rendu visible par un clairage aux rayonsultraviolets. Les fissures contenant du liquide color sont rendues visibles par une couche detalc, qu'on applique sur la pice l'aide d'un spray, qui ensuite absorbe le liquide color en se

teignant. L'observation, dans ce cas, se fait lil nu. Les traces colores indiquent lesendroits o il y a des fissures.

lampe (UV)

lumirefluorescente

trace colorecouche de talcabsorbante

fissuresurface

liquide pntrant

Fig. 1 Les contrles par ressuage

1.2 Contrle magntique

Cette mthode se base sur les forces magntiques et ne permet de mettre en vidence que desdfauts situs la surface des matriaux magntiques. En magntisant la pice contrler, leslignes de forces sont perturbes l'endroit de chaque discontinuit dans les proprits

magntiques (fissure ou inclusion non-magntique). Les petites particules de fer d'unesuspension de limaille de fer (rvlateur), rpandue sur la surface, se concentrent l o leslignes de forces mergent.

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Fig. 2 Le contrle magntique

2. Dfauts internes

L'examen non destructif des dfauts internes est surtout ralis avec des rayons X, et les

ondes ultrasoniques.

2.1 Radiographie par rayons X et

Les rayons X et sont des ondes lectromagntiques comme les faisceaux lumineux

ordinaires, mais ils ont une longueur d'onde ( ) sensiblement infrieure et une nergie de

rayonnement suprieure aux rayons lumineux.

Fig. 3 Echelle des ondes lectromagntiques

L'nergie de rayonnement leve confre aux rayons X et la proprit de pouvoir pntrer et

de traverser des corps opaques la lumire ordinaire. La transparence n'est cependant pasparfaite. A l'intrieur de la matire, l'intensit diminue selon la loi d'absorption

I = I 0e d .

I 0 et I sont respectivement l'intensit incidente et l'intensit mergente. d est le chemineffectivement parcouru dans la matire, sans tenir compte de l'paisseur des cavits prsentes,et est le coefficient d'absorption. Le coefficient d'absorption dpend du matriau et de la

longueur d'onde du rayonnement utilis. Il augmente trs fortement avec le numro atomiquedes lments chimiques constituant le matriau absorbant et diminue avec l'nergie du

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rayonnement. L'uranium (92) et le plomb (82) absorbent donc plus fortement que le fer (26)ou l'aluminium (13), d'autre part les rayons pntrent plus profondment que les rayons X.

Fig. 4 Absorption des rayons X et noircissement de la plaque photographique

2.1.1 Mthode des rayons X

La fig. 5 montre le principe de construction du tube rayons X. Une tension de quelquescentaines de kV acclre les lectrons sortant de la cathode et les dirigent vers l'anode. Leslectrons freins dans l'anode transforment leur nergie cintique en nergie de rayonnement.Ils mettent une radiation continue, laquelle se superposent les raies caractristiques misespar le mtal formant l'anode.

Fig. 5 Schma de l'installation: tube rayons X, alimentation et pice examiner

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Caractristiques du spectre

- Limite nette pour une valeur maximale de l'nergie de rayonnement qui, exprime en eV(volts lectroniques), correspond exactement la tension U applique en volts. La

longueur d'onde correspondante cette nergie vaut 0= 1.24U (kV )

- Cette limite se dplace vers des longueurs d'ondes plus courtes ou des rayons X plus"durs" voire plus levs en nergie lorsqu'on augmente la tension U.

- L'intensit du spectre continu est maximale pour m = 2 0 .

L'intensit totale de la radiation mise (intgrale du spectre I ( )d ) dpend du matriau de

l'anode et de la tension lectrique applique, mais elle ne dpasse pas 1 5 % de la puissancefournie (N = UI). La grande majorit de l'nergie lectrique est transforme en chaleur et il estdonc ncessaire de refroidir l'anode l'eau.

Fig. 6 Spectre des rayons X

2.1.2 Mthode des rayons

On emploie aussi en radiographie des sources d'mission radioactives base d'isotopes Co 60 ,Ir192 et Cs 177 . Les transformations nuclaires dans ces isotopes sont accompagnes d'unemission de rayons . Ces derniers ne sont rien d'autre que des rayons X d'origine nuclaire.Leur spectre d'mission est strictement monochromatique (une seule nergie derayonnement). En raison du danger que prsentent les substances radioactives les intensitsdes sources sont maintenues faibles par rapport celles des rayons X. Cela implique souvent

des temps de pose trs longs, notamment pour le contrle d'paisseurs importantes. Cettemthode a l'avantage de ne pas employer d'alimentation lectrique et en raison de la petite

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taille de la source radioactive (~mm 3), on peut facilement contrler des pices de formecomplexe, auxquelles il ne serait pas possible d'accder avec un tube rayons X.

2.1.3 Paramtres de travailLe choix optimal des paramtres de travail tels que la distance entre le foyer et le film, latension et le courant anodiques ainsi que le temps de pose pour une prouvette donne (forme,paisseur, alliage), ncessite une bonne exprience et quelque fois des essais prliminaires.Les doses de rayonnement X ou misent en jeu pour le contrle non destructif des matriaux

sont en gnral plus leves que celles couramment appliques pour les diagnostics enmdecine. Des prcautions de scurit contre ces radiations sont donc impratives.

2.2 Contrle des matriaux par ultrasons

2.2.1 Gnralits

Les ultrasons sont des ondes acoustiques ou lastiques dont la frquence est suprieure celledes sons audibles par l'oreille humaine et infrieure aux vibrations thermiques des atomes. Lessons audibles sont compris entre 10 et 20000 Hz et la gamme de vibrations thermiques s'tendde 10 9 10 13 Hz (1 GHz - 10 THz). Les frquences utilises lors d'examens aux ultrasons necomprennent pas toute la gamme des ultrasons, mais varient entre 0,5 12 MHz. Pour un

solide ayant une vitesse de son c de 5000 m/s ceci correspond l'intervalle des longueursd'ondes ( = c/ ) de 1 cm 0.4 mm. La limite infrieure de 0.5 MHz est dtermine par la

perte totale en rsolution des dfauts qui ont une taille infrieure la longueur d'onde. Dansles solides (vitesse du son c 5000 m/s), une onde d'une frquence de 0,5 MHz ne permet que

de percevoir les dfauts qui sont plus grands qu'un centimtre. En gnral on s'intresse aussi des dfauts beaucoup plus petits. L'augmentation de frquence qui s'impose alors, commeeffet d'augmenter l'absorption et donc de limiter la profondeur accessible aux ultrasons.

Fig. 7 Echelle des ondes lastiques. Les longueurs d'ondes sont donnespour un solide ayant une vitesse du son de 5000 m/s.

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2.2.2 Propagation, absorption, rflexion et rfraction des ultrasons

Dans un milieu homogne, les ultrasons se propagent de manire rectiligne. La vitesse depropagation c (vitesse du son) dpend du milieu travers (densit, modules lastiques) et desdimensions gomtriques si celles-ci sont du mme ordre de grandeur que la longueur d'onde.De plus, elle n'est pas la mme pour les ondes longitudinales que pour les ondes transversales(=ondes de cisaillement). Dans les solides la vitesse des ondes transversales estapproximativement la moiti de celle des ondes longitudinales.

Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs. Notez les grandes diffrences entre les gaz, lesliquides et les solides.

c L [m/s]

(ondes longitudinales)

cT [m/s]

(ondes transversales)Air 340

Eau 1480

non transmise en raison del'absorption excessive

Aluminium 6300 3080

Fe et aciers 5900 3220

Laiton 4400 2120

L'attnuation des ondes ultrasonores suit la mme loi que celle de l'absorption des rayons Xlorsqu'on substitue l'intensit par l'amplitude de l'onde. Le coefficient d'absorption dpend

des proprits anlastiques et viscolastiques du matriau et augmente gnralement avec lafrquence. L'attnuation des ultrasons, dans la gamme de frquence utilise pour le contrlenon destructif, est nettement moins forte que celles des rayons X ou . Dans le fer, p. ex.,

l'attnuation des ultrasons devient importante aprs quelques mtres, alors que les rayons X setrouvent pratiquement absorbs aprs quelques centimtres.

La rflexion et la rfraction des ultrasons, lors d'un changement de milieu (interface ousurface), sont plus complexes que celles des rayons lumineux (= ondes transversales

uniquement). Une onde ultrasonore longitudinale incidente sous un angle oblique sur uneinterface se divise en deux ondes rflchies et en deux ondes transmises. Chaque pairecomprend une onde longitudinale et une onde transversale. L'onde transversale transmise estsupprime pour une incidence normale et l'onde longitudinale transmise disparat si dpasse

un angle critique qui dpend du rapport des vitesses du son c L dans les deux milieuxconsidrs. Cet effet est utilis par les palpeurs incidence oblique.

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Fig. 8 Rfraction et rflexion des ondes ultrasoniques

Pour le contrle par ultrasons, on utilise normalement les ondes longitudinales en incidence

normale et les ondes transversales en incidence oblique (au-del de l'angle critique). Pour uneincidence normale, le coefficient de rflexion R, dfini comme le rapport entre l'amplitude del'onde rflchie A R et l'amplitude de l'onde incidente A I est donn par

R = A R A I

= 1 c 1 2c 2

1 c 1 + 2c 2

1 et 2 sont les masses volumiques et c1 et c2 les vitesses du son (longitudinales ou

transversales selon le type de l'onde). Le produit c est appel impdance acoustique.

On en dduit facilement que la rflexion est quasiment totale, c.--d. que R 1, pour une

fissure (= interface solide-air ou solide-vide), et que, en raison de la conservation de l'nergietransporte par les ondes, l'amplitude de l'onde transmise devient trs petite. Pour les rayons Xet , par contre, on aura selon une loi semblable, utilisant l'indice de rfraction au lieu de

l'impdance acoustique, une rflexion ngligeable.Le pouvoir rflecteur lev d'une fissure est l'origine de la grande sensibilit des ultrasonspour la dtection des dfauts des matriaux. Malheureusement, le coefficient de rflexionlev pose aussi des problmes dans la pratique. En gnral, les ultrasons sont excits par dessondes places la surface de la pice contrler. En raison de la rugosit de surface, le

contact n'est pas parfait. La couche d'air prsent l'interface, entre la sonde et la pice,rflchit fortement l'onde et ne la laisse pas passer. Pour amliorer le couplage entre sonde etpice, on doit appliquer un agent de contact (graisse, eau, huile) sur la surface et veiller cequ'ils ne se forment pas de bulles sous la sonde. La valeur plus leve de l'impdanceacoustique c des liquides fait diminuer le coefficient de rflexion des valeurs acceptables.

2.3.3 Emission et dtection d'ultrasons

L'mission et la dtection d'ondes ultrasonores se ralise trs facilement grce l'effet pizo-

lectrique. Certains matriaux anisotropes, comme p. ex. le quartz monocristallin, ainsi queles matriaux ferrolectriques, tels que le titanate de baryum et le titanate de plomb, possdentla proprit de se dformer sous l'effet d'un champ lectrique (effet pizo-lectrique direct).

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Les dformations sont de l'ordre de 0,1 nm par Volt appliqu aux lectrodes. Une tensionlectrique alternative, applique aux lectrodes, fait vibrer le transducteur pizolectrique. Lesvibrations, ainsi cres, se transmettent tout solide en contact avec le transducteur et vont sepropager dans celui-ci avec la vitesse du son caractristique de ce milieu.

Rciproquement, une compression ou une dilatation d'un matriau pizolectrique, provoquepar une onde incidente, fait apparatre des charges lectriques sur les lectrodes qui semesurent facilement par la tension cre entre les lectrodes (effet pizolectrique inverse).L'effet inverse peut alors servir pour la dtection d'ondes. Il suffit pour cela de remplacer dansla fig. 9 la tension d'alimentation par un oscilloscope.

lectrodes= surfaces argentes

onde lastique

matriau pizolectrique

U~tension d'alimentation~ 100 - 1000 V

Fig. 9 Emission d'une onde lastique longitudinale

2.2.4 Les palpeurs pour le contrle aux ultrasons

Le contrle aux ultrasons s'effectue le plus souvent avec un palpeur incidence normale ouun palpeur incidence oblique

- Les palpeurs incidence normale mettent des ondes longitudinales avec commedirection de propagation la normale la surface.

Fig. 10 Palpeur pour ondes longitudinales

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Fig. 11 Palpeur pour ondes transversales

- Les palpeurs d'angle mettent des ondes transversales dont la direction de propagationest incline par rapport la normale de la surface. Pour l'excitation de ce type d'onde,on utilise le fait qu'une onde longitudinale, cre dans le palpeur, se divise en uneonde transversale et une onde longitudinale lors de la rfraction l'interface entre lepalpeur et la pice. Pour faciliter l'interprtation des chos, on choisit l'angled'incidence de manire ce que seule l'onde transversale puisse exister. L'onde qui estrflchie l'interface et reste dans la sonde doit tre amortie dans le bloc d'attnuationpour viter d'ventuels chos fantmes.

Les palpeurs d'angle s'emploient surtout pour sonder les cordons de soudures. La surface

irrgulire du cordon lui-mme empche normalement un contact satisfaisant avec un palpeurnormal. L'angle d'incidence b dpend de la construction et du matriau du palpeur ainsi quedu matriau de la pice sonder. La valeur indique sur le botier (angles standards 35, 45,60, 70, 80) est valable uniquement pour les aciers. En contact avec un autre matriau, lemme palpeur donne un angle diffrent (voir tableau).

Conversion des angles d'incidence b pour les ondes transversales.Angles indiqus sur les palpeurs et valables pour les aciers p. ex: 45 70donnent dans:

Al 42,5 64Cu 30 41Fonte grise 28,5 39

Le champ de rayonnement d'un palpeur

La sonde met un faisceau prsentant un angle de divergence. Le champ de rayonnement peuttre dcompos en un champ proche de longueur N s et un champ loign. La grandeur duchamp proche dpend du diamtre de l'metteur D et de la longueur d'onde du rayonnement

ultrasonique.

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Fig. 12 Champ rapproch et champ loign de l'onde ultrasonique

Un dfaut plac dans le champ loign donnera un cho dont l'amplitude diminuera avec lecarr de la distance r du capteur (1/r 2). Par contre, si ce dfaut se trouve dans le champ proche,l'amplitude de l'cho ne peut plus tre exprime par une fonction simple de r. Elle dpendd'effets d'interfrence.

Quelques valeurs de N s et de pour l'eau, l'acier et l'aluminium

Eau Acier - Aluminium

f [MHz] D [mm] [ ] NS [mm] [ ] NS [mm]

1 34 2,70 220 11 55

2 24 2,20 215 7,80 54

4 10 2,30 76 9,30 19

6 10 1,60 114 6,20 28

Caractristiques des palpeurs

La prcision des sondages dpend beaucoup du choix de la sonde et en particulier de safrquence de rsonance. Sa valeur est d'habitude indique sur le botier du palpeur. Sescaractristiques principales sont la sensibilit et son pouvoir de rsolution.

- La sensibilit est le rapport entre l'intensit de l'cho pour un dfaut de taille donne(tant donn un contact parfait l'interface) et l'intensit d'mission.

- Le pouvoir de rsolution est dfini comme la finesse des impulsions ou encore par ladistance minimum entre deux dfauts qui peuvent encore tre distingus.

Les sondes basse frquence (0,5 - 1 MHz) ont les caractristiques suivantes:

- une faible sensibilit pour les petits dfauts ( trop grand)- un manque de sensibilit en proximit de la surface sous le capteur.

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Selon le type d'onde (voir fig. 13) les relations suivantes sont valables:Ondes longitudinales dans un milieu tendu

c L = E (1 )

(1+ )(1 2 ) E = module d'lasticit= coefficient de Poisson

Ondes transversales dans un milieu tendu

c T = G

=E

2 (1+ ) G = module de cisaillement

Ondes extensionnelles: Les ondes extensionnelles sont des ondes longitudinales aveccontraction latrale latrale = long . Les contraintes latrales s'annulent comme dans un essai detraction. Pour les ondes longitudinales dans un milieu tendu, la matire, entourant lefaisceau, empche la contraction latrale ( latrale = 0 ) et les contraintes latrales ne s'annulentpas. Les ondes extensionnelles ne peuvent s'tablir que sur des barres dont le diamtre esttrs infrieur la longueur d'onde . Dans les cas intermdiaires, entre barre mince et milieutendu, la dformation transversale n'est que partielle et la vitesse du son dpend aussi dudiamtre et de la frquence.

c E = E

c E = vitesse des ondes extensionnelles.

Ondes qui se propagent le long d'un filayant une longueur d'onde beaucoup plus

petit que le diamtre.

Fig. 13 a) Ondes longitudinales dans un milieu tendu. b) Ondes transversalesdans un milieu tendu, c) Ondes extensionnelles. d) Ondes de flexion.

e) Ondes de surface.

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Dtection des dfauts

Pour la dtection des dfauts, on emploie principalement la mthode par rflexion. La sonde ale double emploi d'metteur et de rcepteur. Tout changement de milieu sera repr par l'choqu'il provoque. On peut donc situer la position du dfaut l'intrieur de la pice.

La mthode par transmission ncessite deux palpeurs, un metteur et un rcepteur, la picedoit avoir au moins deux surfaces parallles. Une troisime mthode (mthode de rsonance)est base sur l'influence qu'ont les dfectuosits sur les frquences de rsonance d'une pice.Une assiette contenant une fissure sonne diffremment qu'une assiette parfaite quand onfrappe dessus. Pour appliquer cette mthode, il faut, comme dans l'exemple de l'assiette,possder des pices de rfrence tout fait identiques l'exception des dfauts. La mthodeest trs puissante mais n'est utilisable que pour le contrle d'une srie d'objets tout fait

identiques.

2.2.6 L'appareil ultrasons Par l'intermdiaire d'une dcharge lectrique l'metteur produit une impulsion d'une dure dequelques nanosecondes et d'une tension de pointe d'environ 1000 volts. Le transducteurpiezolectrique la transforme en une impulsion lastique qui se propage sous forme d'un traind'ondes ultrasonores dans l'prouvette. On entend par train d'ondes, un ensemble d'ondes dediffrentes frquences qui toutes superposes donne la forme de l'impulsion. Aprs rflexion,le transducteur retransforme l'impulsion ultrasonore en un signal lectrique. En raison despertes d'nergie subies lors des transformations, des passages d'interfaces, de la rflexion et del'absorption dans la pice contrler, ce signal ressort beaucoup plus faible que l'impulsiond'mission. Il ncessite donc une amplification pour pouvoir tre observ. Le comportementdu faisceau ultrasonore est analys l'aide d'un tube cathodique qui enregistre verticalementl'amplitude de l'onde ultrasonore et horizontalement le temps (fig. 14). C'est l'impulsiond'mission qui dclenche la tension de dflexion horizontale du tube cathodique.

Fig. 14 Principe du sondage par ultrasons

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Fig. 16 Dispositif de mesure pour le sondage par ultrason

Vitesse du son sert calibrer les profondeurs des chos sur les distances indiques l'cran(voir plus haut).

Distances Choix de la distance reprsenter sur la largeur de l'cran (10 cm, 25 cm, 1 m, 5 mainsi que les doubles (x 2) et les moitis (x 0,5)).

Puissance et amplification rglent la tension de l'impulsion d'mission et l'amplification dusignal lectrique aprs rception. Il faut essayer de trouver un rglage qui permet d'empcherdes indications perturbatrices telles que les chos de l'impulsion prcdente, autres vibrationsprsentes et bruit de fond qui se manifestent sous forme "d'herbe" sur l'axe horizontal del'cran. En gnral, il suffit d'avoir un cho du fond de la hauteur de l'cran.L'amplification talonne sert dterminer la taille d'un dfaut. Pour un matriau et palpeurdonn, l'amplitude de l'cho dpend avant tout de la distance et de la taille du dfaut. Pourpouvoir appliquer cette mthode, il faut d'abord mesurer l'amplitude de l'cho d'un assez

grand nombre de dfauts dont on connat exactement la taille et la distance (p.ex. trous percs)et tablir un graphique. La mthode n'est malheureusement pas trs prcise car l'cho dpendaussi de l'impdance acoustique et de la forme du dfaut (plane, irrgulire, sphrique). Deplus, il est extrmement difficile de maintenir un couplage constant (c'est--dire un contactparfait) entre palpeur et pice sonder. Un remde pour ce dernier problme est de bien polirla surface de la pice et de la submerger avec le palpeur dans un liquide.

Frquence Dtermine la largeur de bande de l'amplificateur. A ajuster normalement lavaleur de la frquence indique sur le palpeur. Notez que l'metteur lectrique met des

impulsions et non pas des ondes de frquences monochromatiques. L'impulsion d'missionconsiste en une impulsion de dure trs courte que l'on peut aussi dcrire par une sommed'ondes de diffrentes frquences et dont les amplitudes sont donnes par le spectre de Fourier

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Echo de fond disparaissant lors du balayage avec le palpeur. Dfaut avec surface limite planequi est inclin par rapport la direction d'incidence. Le faisceau rflchi ne revient plus versle palpeur et se perd dans l'prouvette. Utilisez un palpeur d'angle pour localiser l'endroitexact du dfaut.

Plusieurs chos avec sparation identique et amplitude dcroissante provoqus par une surfacelimite rflchissant fortement. Le faisceau va et vient plusieurs fois entre palpeur et surfacerflchissante. L'amplitude dcrot en raison de l'amortissement et des pertes par rflexion. Ilpeut aussi arriver qu'un cho de l'impulsion prcdente revienne aprs mission d'unedeuxime impulsion (chos fantmes).

Echo d'un dfaut proximit de la surface. Augmentez la frquence suprieure de la bandepassante pour amincir l'impulsion d'mission.

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3. L'exprience

Cette exprience a comme objectif de dmontrer les diffrentes techniques de contrles nondestructifs, ainsi que l'application des ultrasons pour la dtermination du module d'lasticit.

En particulier, nous proposons l'examen par ultrasons des pices contenant des dfauts.

4. Bibliographie

Ultrasonic methods of non-destructive testing- Jack Blitz and Geoff Simpson, Chapman & Hall 1996

Le contrle non destructif par ultrasons- Jean Perdijon, Hermes 1993

Ultrasonic testing of materials- Josef Krautkraemer, Herbert Krautkraemer, Ed.4, Springer,1990

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